大沽夹河流域地下水位时空变化趋势分析

于中江，栾 娈，王 晶

（烟台市水文中心，山东 烟台 264006）

烟台市大沽夹河由内、外夹河两大支流汇合而成，流域位于山东半岛，烟台市的中北部，河道干流总长140 km，流域面积2 296 km2。大沽夹河流域属暖温带东亚季风流域大陆性气候，流域内降水受气候影响较大，时空分布极不均匀，汛期（6~9月）降水量占全年降水量的70%以上。多年平均降水量723.6 mm，多年平均陆上水面蒸发量1115.5 mm，年径流总量2.81亿m3。多年平均水资源总量为3.06亿m3。流域内有豹山河、韩家疃河等众多支流，沿岸多耕地，涵养60万人口。

1 数据来源与研究方法

根据烟台市水文中心对该流域水文变化的常年监测数据进行筛选。地下水位资料选取大沽夹河流域内14处典型测井，所选测井的地理位置和所处水网覆盖了大沽夹河流域的所有范围，具有较强的代表性。实地考察中借助手持GPS对测井地理位置进行定位，记录其经纬度。

利用SPSS17.0统计分析软件对数据进行统计分析，结合空间变异理论，利用AcrGIS10.0中地统计模块（Geostatistical Analyst）对数据进行空间克里格插值（Ordinary Kriging）分析，分析其地下水位的空间变异性。

2 结果分析

2.1 近10年水位走势分析

对2011—2020年每年内的14处测井水位求平均值，得到该年全流域的平均水位。并根据10年的平均水位进行趋势分析，了解近10年的平均水位走势，由此可看出在2017年大沽夹河流域水位达到了最低值9.61 m，在2011年水位达到了最高值13.89 m；其余年份水位围绕着10年的平均水位11.69 m上下波动，处于一个动态平衡过程。年际水位大幅度变化归因于该年的降雨、蒸发等因素，这一推测在大沽夹河流域降雨蒸发分析中得以验证。

2.2 流域年际地下水位变化分析

对选取的14处测井地下水位数据进行研究，运用SPSS对其在2011～2020年间的地下水位进行统计分析，得到各测井地下水位特征参数，见表1。由表1知，14处测井的地下水位存在明显差异性；10年中每处测井的变幅差异较大，最高变幅是栖霞机井队，变化范围为18.96 m；最低变幅是王格庄村，仅为0.02 m。标准正态分布偏度为0，表1的偏度值表明地下水位无规律的分布在平均值的两侧，各处水位的不对称分布主要与降雨、蒸发、灌溉等因素有关。由表1数据可见荆子埠村、前铺村、东关村附近地下水位波动较小，芝阳村、七里屯村、西埠庄村等地下水位波动较大，地下水位的波动与各处测井的地理位置和灌溉方式有一定关系。根据上述分析，对于水位较高且波动较小的流域可在农业灌溉期间采用井灌方式；针对水位较低的西埠庄、北五供水公司等地流域应采用渠灌方式，并对当地不合理的用水方式加以整治。

表1 2011—2020年研究流域地下水位特征参数

2.3 流域年内地下水位空间变异分析

对地下水位进行半方差分析，拟合结果见表2。可以用高斯模型进行拟合，块金值（C0）反映了区域化变量由于试验误差或其他随机变量引起的变异程度，地下水位的C0均较小，说明热导率测量中由于测量误差等随机变量引起的空间变异程度较低。

表2 不同尺度土壤热导率半方差函数模型及参数拟合

基台值（C0+C）反映了各变量在研究区内空间变异的总强度，变程（A）表示区域化变量空间自相关的尺度范围，3种尺度下C0+C和A均值表现出随尺度的减小而减小，说明研究区系统内总的空间变异程度与采样尺度密切相关，即采样尺度越小，空间自相关距离越小。空间自相关作用范围随尺度的减小而减小。

块金系数C0（/C0+C）反映随机部分引起的空间异质性占总空间异质性的百分比，该值越高，说明随机部分引起的空间异质性程度作用越大。且其值代表了系统变量空间相关性的程度，该值<25%表明系统空间相关性较强，该值在25%~75%之间表明系统空间相关性为中等，该值>75%表明系统空间相关性较弱。

2.4 流域年内地下水位时间变异分析

为了研究地下水位在各个季节之间的差异，进行地下水年内变化特点分析，特别是研究在农业灌溉用水季节，应用何种灌溉方式，以达到最优的地下水利用模式。在研究各个月份的水位变化时，为减小洪涝和干旱年份对分析结果的影响，去除了2011年和2017年的数据，从其余8年的数据中求得各月份的平均水位，分析地下水位的时间变异规律见图1。

图1 大沽夹河流域水位随时间变化趋势图

大沽夹河流域地下水位受降水量、蒸发量、人类活动、农业用水量等多种因素的影响。由图1可知，该流域地下水位季节性变化影响大。原因如下：1月烟台地区冬季降雪量较大，气温低，蒸发量小，且冬季农业用水量少；2月中下旬开始天气回暖，冰雪融化，河流解冻，地表径流增多，地表水补给地下水，使地下水位略微升高；3月开始到5月中旬，该阶段降水量少，蒸发量逐渐增加，耕地复苏，农作物需水量增多，导致地下水位下降；5月下旬到6月开始降水增加对地下水有所补给，但仍利用地下水灌溉，地下水位略微升高；7~9月降雨量逐渐增多，地表水补给地下水，同时农业灌溉水由地下水转变为降水，地下水用量减少，水位开始回升。从10月下旬到12月，降雨基本结束，加之蒸发消耗和人类生活用水，地下水位有所回落。

2.5 大沽夹河流域降雨蒸发分析

水位变化的原因是地下水系统对内外作用力的一种响应[1]，地下水均衡的主要影响因素包括：降雨量、蒸发量、地表水渗透补给量、其他含水层的渗透补给量、地下水溢出量等[2]。水位变化是多种影响因素综合作用的结果，其中降水与蒸发对水位动态的影响最为显著。

降雨蒸发资料选门楼水库站水文观测站的数据，见表3。

表3 大沽夹河流域降雨蒸发数据统计表

蒸降差指某一流域在一定时间内，蒸发量与降水量的差值[3]。研究蒸降差的时空分异，在地理环境上，对探讨气候环境变化条件下的水资源循环具有重要的意义；在农业生产上，蒸降差是制定农作物灌溉计划的重要依据。分析蒸降差与地下水位间的关联性，可为水资源的高效利用提供参考依据[4，5]。

由表3可以看出蒸降差在研究年际内变化显著。蒸降差越大说明该年份的水资源消耗越大，地下水位随之降低；反之亦然。可见在2019年蒸降差最大时产生了10年内的最低水位，这一现象符合上述规律；在2011年蒸降差达到最小时产生了10年内的最高水位。以上分析说明研究流域内蒸降差与地下水位的关联性较强，受其他因素如地表径流入渗、地下水开采、相邻流域排补量的影响较小。

3 结论

结合地统计学技术与统计学原理，对大沽夹河流域10年地下水位进行空间变异分析与年内的时间变异分析，针对地下水位的时空变化提出在某一时期、某一流域到底该应用何种灌溉方式。本文的主要研究成果如下：

1）根据研究流域近10年地下水位走势分析，地下水位围绕10年水位均值32.92 m上下波动，呈现出动态平衡的状态。

2）从对研究流域典型年份的地下水位插值分析中得到，年内水位空间变异性较强，针对东关村、芝阳村等低水位流域，农业灌溉应以渠灌方式取代井灌方式。针对王各庄村等高水位流可在其附近采用井灌方式，以防止土地次生盐碱化。

3）根据2011—2020年研究流域地下水位特征参数，各处测井的水位差异较大，变幅差异较大，地下水位无规律的分布在平均值的两侧，水位波动较大。

4）由年内地下水位时间变异分析，研究流域地下水位变化受季节性影响较大，应针对不同季节选取合理的灌溉方式，合理配置地下水。

5）研究降雨蒸发量时，发现蒸降差与该流域地下水位变化的关联性较强，但不能完全控制地下水位的变化。

分析地下水位应从多因素入手，积极开展井渠双灌工程，对不合理的灌溉模式及地下水使用方式予以纠正和改善，为农业灌溉提出理论依据，给予灌溉管理人员和农民指导性意见，从而实现合理、科学用水，节水减耗增效和农业增收。